應(yīng)用于晶體管圖示儀的CPLD控制器設(shè)計(jì)

晶體管圖示儀是電路設(shè)計(jì)中常用的電子儀器，它能夠顯示晶體管的輸入特性、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性等多種曲線和參數(shù)。它不僅可以測(cè)量晶體二極管和三極管，還可以測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)管、隧道二極管、單結(jié)晶體管、可控硅和光耦等器件。但傳統(tǒng)的晶體管圖示儀存在著電路復(fù)雜，體積龐大，示波管的顯示屏小，功耗大，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和EDA技術(shù)的不斷發(fā)展及其在電工電子測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，晶體管圖示儀在結(jié)構(gòu)、工作原理和功能上發(fā)生很大變化，成為數(shù)字化和智能化的虛擬儀器。本文設(shè)計(jì)的晶體管圖示儀就是這樣一種新型儀器，除改善了原有儀器不足之外，還擴(kuò)展了儀器功能，具有圖形保存，數(shù)據(jù)處理，界面顯示靈活，可操作性強(qiáng)，性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 傳統(tǒng)晶體管圖示儀結(jié)構(gòu)及工作原理

在傳統(tǒng)的晶體管圖示儀中，各模塊單元完全由模擬電路和脈沖數(shù)字電路組成，屬于全硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它主要包括階梯電流發(fā)生器、掃描電壓發(fā)生器、垂直放大、水平放大和示波管等。圖中W是負(fù)載電阻，R是電流采樣電阻，T是被測(cè)三極管。所謂三極管輸出特性曲線是：在基極電流不變的條件下，集電極電壓和電流之間的關(guān)系。在測(cè)量三極管輸出特性曲線時(shí)，階梯電流發(fā)生器對(duì)T的基極施加階梯電流信號(hào)，在階梯電流的每一個(gè)臺(tái)階時(shí)間內(nèi)，掃描電壓發(fā)生器對(duì)T的集電極回路施加掃描電壓。掃描電壓是 50 Hz交流電經(jīng)整流得到。T的集電極電流在采樣電阻R上的壓降(代表集電極電流)經(jīng)垂直放大后加到示波管垂直偏轉(zhuǎn)板上，T的集電極電壓經(jīng)水平放大后加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)板上。當(dāng)施加的階梯電流和掃描電壓周期性地重復(fù)出現(xiàn)時(shí)，三極管輸出特性曲線就可以顯示在示波管上。

1.2 本圖示儀結(jié)構(gòu)框圖

本圖示儀的構(gòu)成見(jiàn)圖2。與圖1相比不同的是：“垂直放大”、“水平放大”和“示波管”取消了，其功能由上位機(jī)承擔(dān);同時(shí)增加了單片機(jī)、CPLD、存儲(chǔ)器和 A/D轉(zhuǎn)換器等部件，組成數(shù)據(jù)采集電路。工作時(shí)上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，單片機(jī)通過(guò)階梯電流發(fā)生器對(duì)T的基極施加階梯電流信號(hào)，通過(guò)掃描電壓發(fā)生器對(duì)T的集電極回路施加掃描電壓;與此同時(shí)，CPLD控制器控制A/D轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器快速采集和存儲(chǔ)電壓電流數(shù)據(jù)。當(dāng)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存滿后，CPLD控制器向單片機(jī)發(fā)出采集結(jié)束信號(hào)，單片機(jī)再將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示。一個(gè)完整的圖形需要多次這樣的過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)若不使用CPLD和存儲(chǔ)器等器件也可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，但由于單片機(jī)工作速度相對(duì)較慢，在有限時(shí)間(掃描電壓的上升段，5 ms)內(nèi)采集的點(diǎn)數(shù)較少，曲線不夠準(zhǔn)確。使用了CPLD和存儲(chǔ)器之后，采得的點(diǎn)數(shù)密集，曲線更加真實(shí)。本系統(tǒng)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)CPLD控制器，以解決單片機(jī)、存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換器之間的時(shí)序配合關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)采集電路功能模塊確定

數(shù)據(jù)采集電路的構(gòu)成如圖3所示。除了包含單片機(jī)、控制器、存儲(chǔ)器、和A/D轉(zhuǎn)換器外，還有地址計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)鎖存器。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)鎖存器

A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集電路重要的部件之一，本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器采用Maxim公司的MAX197。

MAX197 是一款多量程的12位A/D轉(zhuǎn)換器，8路模擬信號(hào)輸入，輸出數(shù)據(jù)線8條，分為高4位和低8位輸出，由HBEN端控制。當(dāng)時(shí)鐘頻率為2 MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6μs。MAXl97在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要輸入一個(gè)8位控制字，這個(gè)控制字若由單片機(jī)提供將使啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，難以提高采集速度，所以這里用到一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器74LS373來(lái)保存控制字。

2.2 存儲(chǔ)器和地址發(fā)生器

存儲(chǔ)器采用兩片2114,它是一款4 b×1K靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。2114在存取數(shù)據(jù)時(shí)，除了需要外部提供片選信號(hào)和讀寫信號(hào)外，還需要提供地址信號(hào)。地址信號(hào)由地址發(fā)生器產(chǎn)生，地址發(fā)生器實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器。

2.3 控制器

控制器是數(shù)據(jù)采集電路的核心，由CPLD內(nèi)部模塊實(shí)現(xiàn)。這里的CPLD選用Altera公司的EPM7064。EPM7064有64個(gè)宏單元，1 250個(gè)可用門類，36個(gè)I/O腳。從可行性方面來(lái)說(shuō)，RAM、地址發(fā)生器、74LS373和控制器都可以同時(shí)做到CPLD中，但RAM需要100個(gè)節(jié)，用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)將占用大量資源，僅一片EPM7064就不夠用。所以為了節(jié)省資源，降低成本，這里采用外接RAM2114。74LS373也采用外接方式，主要是考慮端口不夠用。因此在CPLD內(nèi)部?jī)H安排了控制器和地址發(fā)生器(圖3虛線框內(nèi))。

3 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 采集點(diǎn)數(shù)的確定及控制器接口要求

晶體管特性曲線中，輸出特性曲線是最復(fù)雜的。輸出特性曲線一般由8～10條線組成。在本系統(tǒng)中，每條線由50個(gè)點(diǎn)連接而成。每個(gè)點(diǎn)由一個(gè)電壓值和_個(gè)電流值確定，每個(gè)電壓(或電流)數(shù)據(jù)占兩字節(jié)存儲(chǔ)單元(數(shù)字量12位)，則每條曲線的電壓值(或電流值)就占100個(gè)字節(jié)。電壓值和電流值本應(yīng)該在同一時(shí)刻采集，但為了節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器和其他硬件，這里把電壓和電流安排在不同的掃描周期內(nèi)采集，只要采集時(shí)間與各自的掃描周期起始時(shí)間間隔一一對(duì)應(yīng)就可以保證精度，時(shí)間誤差在1μs之內(nèi)。

每一組電壓或電流數(shù)據(jù)的采集都是在一個(gè)掃描電壓的上升時(shí)間段完成。掃描電壓是把50 Hz交流電壓經(jīng)整流產(chǎn)生，所以每個(gè)掃描電壓所占時(shí)間是10 ms，掃描電壓的上升段時(shí)間就是5ms。如果5 ms時(shí)間內(nèi)要采集50個(gè)數(shù)據(jù)，則每個(gè)數(shù)據(jù)占用時(shí)間為100μs。10條曲線將占用20個(gè)掃描周期。

在每個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間(100μs)內(nèi)，控制器首先從鎖存器74LS373中讀取“控制字”送入A/D轉(zhuǎn)換器，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器工作，進(jìn)入轉(zhuǎn)換等待狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，控制器從A/D轉(zhuǎn)換器分別讀取數(shù)據(jù)的高字節(jié)和低字節(jié)存入RAM中，然后等待下一個(gè)采集周期。待50個(gè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，控制器向單片機(jī)發(fā)出采集結(jié)束信號(hào)。所以控制器要產(chǎn)生74LS373的讀信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換器的片選和讀寫信號(hào)、存儲(chǔ)器片選和讀寫信號(hào)、地址發(fā)生器的時(shí)鐘和清零信號(hào)等，還要接受單片機(jī)的采集指令信號(hào)和50 Hz交流電同步信號(hào)，返回單片機(jī)采集結(jié)束信號(hào)等。

3.2 控制器內(nèi)部構(gòu)成

控制器內(nèi)部(見(jiàn)圖4)主要模塊有計(jì)數(shù)器、脈沖分配器和觸發(fā)器。計(jì)數(shù)器為100進(jìn)制，輸入時(shí)鐘周期為1μs，這樣計(jì)數(shù)器計(jì)滿一個(gè)循環(huán)就是100μs(即一個(gè)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間)。脈沖分配器的作用是對(duì)100 μs內(nèi)的時(shí)間再進(jìn)行細(xì)分，使每1μs時(shí)間都可以輸出脈沖(根據(jù)需要)。觸發(fā)器由脈沖分配器觸發(fā)產(chǎn)生任意寬度的脈沖(見(jiàn)圖5)。圖中 COUNT100_Y18模塊實(shí)現(xiàn)了100進(jìn)制計(jì)數(shù)器和脈沖分配器的功能，DFFA1～DFFA4是增強(qiáng)的D觸發(fā)器模塊，DFFA2的R1～R3是清0 端，S1～S3是置1端，DFFA2，DFFA3和DFFA4結(jié)構(gòu)相同。

連接RAM的控制信號(hào)有兩個(gè)，即讀寫信號(hào)SRAM_OE和片選信號(hào)SRAM_WE。連接A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)有4個(gè)，即片選信號(hào)A/D_CE、寫信號(hào) A/D_WR、讀信號(hào)A/D_RD和高低字節(jié)選擇信號(hào)A/D_HEEN。地址計(jì)數(shù)器和74LS373鎖存器的控制信號(hào)也要與上述時(shí)序配合。

3.3 控制器的工作過(guò)程

控制器輸出端時(shí)序圖如圖5所示。單片機(jī)先向鎖存器存入一個(gè)控制字，設(shè)置輸入模擬通道、輸入通道量程、掉電模式和內(nèi)外時(shí)鐘選擇等信息，然后向控制器發(fā)出采集指令(Start_A/D變?yōu)楦唠娖?。當(dāng)掃描電壓到來(lái)時(shí)(圖中TB50 Hz變?yōu)楦唠娖?，COUNT100_Y18開始計(jì)數(shù)并輸出脈沖，通過(guò)觸發(fā)器在不同時(shí)間產(chǎn)生不同寬度的脈沖。COUNT100_Y18的第1～4個(gè)脈沖產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器片選信號(hào)A/D_CS和74LS373讀信號(hào)(圖5波形1)，第2個(gè)脈沖產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器寫信號(hào)A/D_WR(圖5波形2)，把 74LS373的數(shù)據(jù)寫入MAX197，啟動(dòng)A/D開始轉(zhuǎn)換。待轉(zhuǎn)換結(jié)束(第8個(gè)脈沖結(jié)束轉(zhuǎn)換)后，COUNT100_Y18的第10H～14H脈沖產(chǎn)生 A/D轉(zhuǎn)換器片選信號(hào)A/D_CS和RAM2片選信號(hào)SRAM_CE(圖5波形3和5)，第11H～14H脈沖產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器的讀信號(hào)A/D_RD(圖 5波形7)。第15H脈沖把A/D_HEEN置為高電平，選通數(shù)據(jù)的高字節(jié)，而第17H～1BH脈沖再次產(chǎn)生A/D_CS，SRAM_CE，A/D_RD 和SRAM_WE(圖5波形4，6，8和10)，把數(shù)據(jù)的高4位存入存儲(chǔ)器中。這樣一個(gè)數(shù)據(jù)的采集宣告結(jié)束。

當(dāng)時(shí)間達(dá)100μs時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程，進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)的采集。當(dāng)RAM存滿100個(gè)字節(jié)后，控制器向單片機(jī)返回采集結(jié)束信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)串口將100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)批量傳遞給上位機(jī)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先用VHDL語(yǔ)言編寫COUNT100_Y18和DFFA1～DFFA4等模塊，經(jīng)Max+PlusⅡ編譯和仿真通過(guò)，再連接各模塊形成頂層圖形文件(圖5)。對(duì)頂層圖形文件再進(jìn)行編譯和仿真，通過(guò)后將程序下載到芯片中。單片機(jī)主要編寫顯示程序、階梯電流驅(qū)動(dòng)程序和串口通信程序，均調(diào)試通過(guò)。上位機(jī)界面用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，畫面清晰美觀，控制方便。結(jié)論表明，把CPLD技術(shù)用于改造傳統(tǒng)晶體管圖示儀，效果是明顯的，儀器性能有很大提高。